沙漏控制

沙漏控制

A1:有限元方法一般以节点的位移作为基本变量，单元内各点的位移以及应变均采用形

函数对各节点的位移进行插值计算而得，应力根据本构方程由应变计算得到，然后就可以

计算单元的内能了。如果采用单点积分（积分点在等参元中心），在某些情况下节点位移不

为零（即单元有形变），但插值计算得到的应变却为零（譬如一个正方形单元变形为一个等

腰梯形，节点位移相等但符号相反，各形函数相同，所以插值结果为0），这样内能计算出

来为零（单元没变形！）。这种情况下，一对单元叠在一起有点像沙漏，所以这种模式称之

为沙漏模式或沙漏。

现在有很多 控制沙漏的专门程序，如控制基于单元边界的相对转动。但这些方法不能

保持完备性。:

我主要讲一下物理的稳定性，在假设应变方法的基础上，建立沙漏稳定性的过程。在

这些过程中，稳定性参数基于材料的性能。这类稳定性也称为物理沙漏控制。对于不可压

缩材料，即使当稳定性参数是一阶的时候，这些稳定性方法也将没有自锁。在建立物理沙

漏控制中，必须做出两个假设：1.在单元内旋转是常数。2.在单元内材料响应是均匀的。

A2:沙漏(hourglass)模式是一种非物理的零能变形模式，产生零应变和应力。沙漏模

式仅发生在减缩积分(单积分点)体、壳和厚壳单元上。LS-DYNA里面有多种算法用于抑制

沙漏模式。缺省的算法(type 1)通常不是最有效的算法，但却是最经济的。

一种完全消除沙漏的方法是转换到全积分或者选择减缩积分(S/R)方程的单元。但这种

方法是一种下策。例如，第一，类型2体单元比缺省的单点积分体单元计算开消大; 其二，

在大变形应用时更不稳定(更容易出现负体积);其三，类型2体单元当单元形状比较差时在

一些应用中会趋向于剪切锁死(shear-lock)，因而表现得过于刚硬。

三角形壳和四面体单元没有沙漏模式，但缺点是在许多应用中被认为过于刚硬。减小

沙漏的一个好的方法是细化网格，但这当然并不总是现实的。加载方式会影响沙漏程度。

施加压力载荷优于在单点上加载，因为后者更容易激起沙漏模式。为了评估沙漏能，在

*control_energy卡片中设置HGEN＝2，而且用*database_glstat和*database_matsum

卡分别输出系统和每一个部件的沙漏能。这一点是要确认非物理的沙漏能相对于每一个

part的峰值内能要小(经验上来说<10%)。对于壳单元，可以绘制出沙漏能密度云图，但

事先在*database_extent_binary卡中设置SHGE=2。然后在LS-Prepost中选择

Fcomp>Misc>hourglass energy。

对于流体部件，缺省的沙漏系数通常是不合适的(太高)。因此对于流体，沙漏系数通

常要缩小一到两个数量级。对流体用基于粘性的沙漏控制。缺省的沙漏方程(type 1)对流体

通常是可以的。

对于结构部件一般来说基于刚性的沙漏控制(type 4,5)比粘性沙漏控制更有效。通常，

当使用刚性沙漏控制时，习惯于减小沙漏系数到0.03~0.05的范围，这样最小化非物理的

硬化响应同时又有效抑制沙漏模式。对于高速冲击，即使对于固体结构部件，推荐采用基

于粘性的沙漏控制(type 1,2,3)。

粘性沙漏控制仅仅是抑制沙漏模式的进一步发展，刚性沙漏控制将使单元朝未变形的

方向变形。

类型8沙漏控制仅用于单元类型16的壳。这种沙漏类型激活了16号壳的翘曲刚度，

因此单元的翘曲不会使解退化。如果使用沙漏控制8，16号壳单元可以用于解被称为扭曲

梁(Twisted Beam)问题。

对于单元类型1的体和减缩积分2D体(shell types 13 & 15)类型6沙漏控制调用了

一种假设应变协同转动方程。使用沙漏控制类型6和系数1.0，一个弹性部件在厚度方向

仅仅需要划分一层类型1的体单元就可以获得正确的弯曲刚度。在隐式计算里面，对于类

型1的体单元应该总是使用类型6的沙漏控制(实际上，在V970里面这是自动设置的)。

(More on type 6 HG control from Lee Bindeman)

类型6的沙漏控制与类型4,5不在于它用了一个假设应变场和材料属性来估算出假设

应力场。这个应力在单元封闭域内进行积分得到沙漏力，因此单元表现的像一个有同样假

设应变场的全积分单元。这种假设应变场设计成用来阻止纯弯曲中不真实的剪切变形和近

似不可压材料中的体积锁死。

类型4和5的沙漏控制基于单元体积，波速和密度像在LS-DYNA理论手册中方程3.21

那样来计算沙漏刚度。

沙漏类型6主要的改进是应力场在单元域内积分。这使得当使用大的长细比或者歪斜

形状的体单元时沙漏控制非常鲁棒。类型4和5的沙漏控制对大长细比和歪斜形状单元反

应变不好，它趋向于对某些沙漏模式反应的过于刚硬而对其它模式反应得过弱。

沙漏控制类型6另一个理论上的优点是对在厚度方向只有一个单元的梁可以在弹性弯

曲问题中得到准确的解。要做到这一点，设置沙漏刚度参数为1.0。同样，对弹性材料方形

截面杆的扭曲问题，当沙漏系数设为1.0时可以用很少的单元来解。然而，对于非线性材

料，用粗糙的网格得到好的结果是不可能的，因为应力场不是像沙漏类型6假设的那样线

性变化的。在梁厚度方向上如果没有更多积分点的话，没有办法捕获应力场的非线性状态。

对于选择沙漏控制，下面几个问题要考虑。对于单元有大的长细比或者明显歪斜(不管

是初始还是变形过程中)，推荐采用类型6的沙漏控制。类型6的沙漏控制通常对软的材料

更好，像泡沫或蜂窝材料在计算中会有非常明显的变形。

在材料不是特别软或者单元有合理的形状且网格不是太粗糙时，类型4,5和6沙漏控

制似乎都能得到同样的结果。这种情况推荐用类型4的沙漏控制，因为它比其它的更快A3:

总能量=内能+动能+滑移界面能能量之间是可以相互转化的，但是对于动力学问题，总能

量一般是不太变的。也就是能量守恒原理。 沙漏模式也就零能模式，他在理论上是一种

存在的一种变形模式，但是在实际模型中是不可能存上的。零能模式就是指有变形，但是

不消耗能量。显然是一种伪变形模式，若不加以控制，计算模型会变得不稳定，并且计算

出来的结果也是没有多大意义的。要加抵制这种变形模式就得相应的消耗一定的能量，也

就是沙漏能，如果这个比值太多，就说明模型和实际的变形有很大的差别，当然是不正确

的。这也是缩减积分所付出的代价。用全积分单元可以解决这个问题，但是效率不高，有

可能导致体积锁死，过刚的一些问题。

沙漏要控制的，沙漏能一般不大于总能量的10%。如果大于这个值，说明你的计算结

果不可靠A4:>用全积分单元可以很大程度上减少沙漏。全积分在计算动力问题的时候还是

有很多的缺点的，所以一般是选用单点积分的方式，因为此而引起的沙漏问题，dyna提供

了多种算法可以减少到内能的5％以下，控制沙漏：首先：您的模型如果是很多PART组

成的装配体，那么您需要找出沙漏能最大的PART！
然后：才能进行一些适当的控

制！第一：还得从载荷谈起，避免集中载荷；
第二：从网格谈起，尽量做到网格协

调；第三：从沙漏控制谈起，采用不同的控制方法；第四：从单元算法谈起，不行就将一

个PART化分为多个PART，除了单元算法不同以外，其他相同，采用全积分！

>有限元方法一般以节点的位移作为基本变量，单元内各点的位移以及应变均采用形

函数对各节点的位移进行插值计算而得，应力根据本构方程由应变计算得到，然后就可以

计算单元的内能了。如果采用单点积分（积分点在等参元中心），在某些情况下节点位移不

为零（即单元有形变），但插值计算得到的应变却为零（譬如一个正方形单元变形为一个等

腰梯形，节点位移相等但符号相反，各形函数相同，所以插值结果为0），这样内能计算出

来为零（单元没变形！）。显然，麻烦来了。所以必须避免这种情况的出现。判别出现0能

模式的方法最简单的是察看单元变形情况，如果单元变成交替出现的梯形形状（两的在一

起有点像沙漏，windows里面那个动画光标），就得小心了。另外就是察看hourglass

energy，最好不要超过总能量的5%. ）对PART进行沙漏控制，使用use *hourglass card

和*PART card。感觉与*CONTROL_HOURGLASS card的功能相同，前者控制具体part，

后者控制整个模型）书上说，通过使用好的模型方式可以减少沙漏的产生，如网格的细化、

避免施加单点载荷、在易产生沙漏模式的部件中分散一些全积分的“种子”单元，从而减

少沙漏。我的理解是在那些地方放一些全积分的单元。其他的都用单点积分单元 。我的理

解是增加积分点

关于沙漏问题，建议看看abaqus的帮助文档，感觉讲的非常好，由浅入深，把深奥

的东西讲的很容易理解。

沙漏的产生是一种数值问题，单元自身存在的一种数值问题，举个例子，对于单积分

点线性单元，单元受力变形没有产生应变能--也叫0能量模式，在这种情况下，单元没有

刚度，所以不能抵抗变形，不合理，所以必须避免这种情况的出现，需要加以控制，既然

没有刚度，就要施加虚拟的刚度以限制沙漏模式的扩展---人为加的 沙漏刚度就是这么来

的。

关于沙漏现象的判别，也就是出现0能模式的方法最简单的是察看单元变形情况，就

像刚才所说的单点积分单元，如果如果单元变成交替出现的梯形形状，如果多个这样的单

元叠加起来，是不是象我们windows中的沙漏图标呢？

)畸变：应该可以用自适应网格划分，要注意的是：*CONTROL_ADAPTIVE 和*PART

中的相应的设置）164单元不能自动分裂单元。

大变形时确实存在网格畸形的问题，一般可以如下解决：

1、当畸形单元少，位置不重要时，删除畸形单元，继续计算；

2、适当调整参数，减少畸形的出现，或者使畸形单元破坏（ADD_EROSION）。

3、使用ALE。

版主所说的第一种解决办法，是通过重启动来实现的么？ 、使用ALE。

23)今天突然注意到dyna关键字中的*section_shell_ale中的第八项setype中有3

个选项，1-lagrange;2-euler,3-ale，而在*control_ale中的第一项dct有4项，

1-lagrange;2-euler,3-ale，4-ale ambient。

请高手指教：这两个关键字中的选项是不是要对应，那一个优先级更高？还有，如果

都选1，就是lagrange单元，那还定义ale干什么？我一直困惑，希望给出详细的解释，

谢谢。

根据经验判断，*section_shell_ale的定义应该更高一些，因为在dyna中，普通的关

键字总是小于特定part的关键字定义的。

在dyna中，默认Lagrange单元、结构动力学分析、显示。因此在设置ALE

（*control_ale）、结构热力学分析（*CONTROL_SOLUTION）、隐式

（*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL）的时候，都会发现系统默认的都是前者的现象，这

是DYNA的风格，也是为了避免出现意外。

)完全重启动是一个全新的分析，只不过需要考虑前面分析的相关的part的变形和应

力情况，这个传递需要由关键字*STRESS_INITIALIZATION_OPTION来实现。

在dos命令下输入：

LS-DYNA I=restartinput.k R=D3DUMPnn

与小型重启动不同的是restartinput.k文件种具有完整的关键字输入，节点、单元、

增加的PART等，对于需要初始化的part，在该输入文件种的节点、单元数及排列与拓扑

关系都应该与上次求解的输入文件中的一样，但part号可以不同。《动力显示算法指南》

我刚才看了一下dyna的范例手册，也是用part来定义，简单方便。我是用hypermesh

来作为前处理的，很方便。具体和大家说一下，在hypermesh中 BCs->entity sets-〉选

择comps，然后输入要定义的set的名称，选择要包括的component，最后再选择create

就行了。 hypermesh作为dyna的前处理非常好，推荐使用！

Q1:我以前做过一个类似轧钢的问题，使用的单位制为国际单位制，当采用实际的密度

（7800kg/m3）时，网格畸变得特别厉害，和你所说的沙漏变形有点象。可是无意间将物

质的密度修改大（7.8e7）以后，网格就没有畸变那么厉害了，并且计算速度大幅度提高。

不知这里面有什么说道，请明白人给指点一下，谢谢！

Q2:我做了一个爆炸分析的流固耦合，但是流体和固体没作用上？

流固耦合关键字里面有一个mcoup选项，你选的是1，表示只与密度最大的多物质材

料耦合，这样的话就只和炸药耦合了，空气对他的作用就没有了